地球上のすべての動物が長期生存のために 1 つの教訓を提供できるとしたら、それは次のようなものかもしれません。推定800万種の動物種のうち、わずかな種を除いてすべてが有性生殖することが知られており、そうでないものは進化的に言えば、最近交尾する能力を失った新しく進化した動物です.マサチューセッツ州ウッズホールにある海洋生物学研究所の生物学者であるデビッド・マーク・ウェルチは、「セックスは重要でなければなりません。それを失うと、絶滅してしまいます。
しかし、セックスが動物の繁殖方法として圧倒的に優勢であるにもかかわらず、科学者たちはその理由がよくわかっていません。 Mark Welch は、動物界における性の優位性を説明するために、研究者が約 50 から 60 の仮説を立てたと推定しています。これらの理論のいくつかは、1 世紀以上にわたって生物学的な戦場となっています。
例外を研究することは、科学者が規則を理解するのに役立つ可能性があります。この場合の例外は、4000 万年から 1 億年前に有性の祖先から分離した極小のスイマーである、bdelloid rotifer (「b」は沈黙している) と呼ばれる生物のクラスです。
これらの奇妙な動物は、肉欲の世界で貞淑な生存者です。彼らは、これまでにテストされた他のどの動物よりも多くの放射線に耐えることができます。湿った木の地衣類から蒸発したバードバスまで、濡れた表面ならどこにでも生息できます。そして、水がなければ完全に乾燥した状態で身を潜め、液体を一滴垂らすだけで元に戻ります。
ブデロイドゲノムの最近の分析は、無性のメカニズムがどのようにセックスの特徴であるDNA交換を模倣できるかを明らかにし始めており、おそらくその有効性を上回っています.新しい研究は、ブデロイドが遺伝的多様性を生み出すのに非常に優れていることを示しており、一部の研究者は現在、性別の定義そのものに疑問を呈しており、一部の研究者は、遺伝物質の組織的な交換を必要としない、より広範なものを主張しています.セックスの伝統的な定義がそのまま残っているとしても、ブデロイドワムシのユニークな遺伝的戦略は、セックスをそのような成功した進化戦略にするメカニズムを明らかにするだろうと考える人もいます. 1980 年代からワムシを研究してきた Mark Welch は、「ブデロイドが解決した問題を解明できれば、セックスが重要な理由を解明できるでしょう」と述べています。
セックスが人気の理由
最も基本的な形に還元すると、セックスは DNA の交換に関するものです。このトランザクションの中心にあるのは、減数分裂と呼ばれるプロセスです。減数分裂では、各親から受け継いだ染色体がペアになって断片を交換します。その後、染色体は娘細胞に分割されます。その結果、いずれかの親のゲノムとは異なるゲノムを持つ細胞のセットができます。
この交換の利点は明らかです。遺伝的シャッフルは多様な集団を生み出し、多様な集団は変化する環境にうまく対処できるはずです.この基本的な考え方は、1 世紀以上前にドイツの生物学者アウグスト ワイズマンによって最初に提案されました。
しかし、セックスには重大な欠点もあり、進化生物学者にパズルのようなものを提示しています。有性生物はその遺伝子の半分しか伝えないため、その遺伝的遺産が大幅に減少します。また、セックスはゲノムをシャッフルするため、うまく機能する遺伝子の組み合わせを壊します。さらに、交尾を望む動物は、交尾相手を探すために時間とエネルギーを費やさなければなりません。その一致が見つかれば、性行為は性感染症のリスクを伴います。これは、自然界における非常に現実的な危険です。
有性生殖の欠点を考えると、動物界は有性生物と無性生物の両方で満たされていると考えるかもしれません。しかし、そうではありません。セックスが圧倒的に多い。マーク・ウェルチは、「何百年も経った今でも、何がそれほど重要なのかを知りません。 「大きな問題の 1 つは、アセクシュアルであることの明らかな短期的な利点と、セックスの明らかな長期的な利点との対比です。どうすれば長期的な利益を得るチャンスを得られるのでしょうか?」
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ビデオ: 一般に車輪動物として知られているワムシは、繊毛と呼ばれる細長い突起の輪を使って餌を食べます。繊毛は、動物が死んだバクテリア、藻類、その他の残骸で満たされた水を吸い込むときに、プロペラのように回転しているように見えます。
生物学者が展開したすべての仮説の中で、ワイズマンの基本的な前提 - セックスは変化する環境に対処するために必要な変化を動物に与える - は依然として最有力候補です。彼がそれを提案してから 1 世紀が経ち、理論生物学者はそれが機能する理由を説明する特定のメカニズムを考案しました。たとえば、セックスは 2 つの重要な適応を結び付ける可能性があります。動物の 1 つのグループは、特定の毒素に対する別のグループなど、高温に対する耐性を発達させる可能性があります。性別がなければ、これら 2 つの能力が 1 つの種に統合されることはまずありません。
赤の女王として知られる仮説によると、これはワイズマンの提案の変種と見なされることもあり、セックスは動物が病原体と戦う永遠の武装競争を助ける可能性があります。有性生殖における遺伝的シャッフルは、急速に変化する敵に対する防御を迅速に進化させるのに役立ちます。 (仮説の名前は、ルイス・キャロルの「鏡の国のアリス」の一節に由来し、赤の女王はアリスに同じ場所にとどまるためにできるだけ速く走るように言います。)
ミュラーのラチェットと呼ばれる別の理論は、1960 年代に遺伝学者ヘルマン ミュラーによって最初に提唱されたもので、有性生殖がゲノムから有害な誤りを取り除くのに役立つことを示唆しています。無性生物では、各世代で新しい突然変異が発生し、次の世代に受け継がれ、最終的に種を絶滅に追いやる. (これはラチェットと呼ばれます。理論的には、ゲノムにエラーが発生すると、元に戻せなくなります。もっともらしい方法はありません。)セックス中に発生する遺伝子のシャッフルは、問題のある突然変異を一掃する雑巾のように機能する可能性があります。
科学者たちは、これらの仮説のそれぞれを支持する証拠を蓄積してきました。しかし、研究者はそれらのいずれかを直接テストすることは難しいと感じています。ブデロイドは補完的なアプローチを提供します。イタリアの生態系研究所の生物学者であるディエゴ・フォンタネートは、「セックスなしで彼らがどのように対処するかを理解することは、セックスが重要である理由を理解するのに役立ちます.
乱れた染色体
ブデロイドは 1696 年以来、科学者の顕微鏡の下で身をよじらせてきました。その間ずっと、誰もオスを発見していません。 (有性ワムシの品種は、陰茎のような器官と精子を備えた、はっきりと区別できる雄を持っています。) 生物学者が動物の無性生殖の研究を始めるまで、200 年近くの間、誰もこの奇妙な空虚についてあまり考えていませんでした、とマーク・ウェルチは言いました。
男性がこれほど長い間いないことは明らかですが、それは無性愛の決定的な証拠ではありません。かつては性交を伴わないと考えられていた他の生物が、ストレスによって引き起こされることが多い、まれな状況下で交尾することが後に発見されました。 「無性愛者と推定される人はたくさんいますが、人々がもっとよく見ると、ある種の秘密のセックスが行われていることがわかりました」とマーク・ウェルチは言いました.
1980 年代後半から、ハーバード大学の著名な生物学者であるマシュー メセルソンは、バデロイド ゲノムを使用して生物の無性をテストできる可能性があると主張しました。ほとんどの動物は、減数分裂中に行われるペアリングと混合の結果として、各遺伝子の 2 つのほぼ同一のコピーで構成される染色体を持っています。無性の動物では、この混合は起こらず、2 つのコピーは頑固に異なるままであるはずです.
ちょうど 2000 年にヒトゲノム プロジェクトが終了したとき、メセルソンと、メセルソンの大学院生だったマーク ウェルチは、bdelloid ゲノムの最初の調査結果を発表しました。彼らは、ブデロイドがしばしば 2 つの非常に異なる遺伝子のコピーを持っていることを発見しました。
しかし、バデロイドのゲノムはすぐにさらに興味深い秘密を明らかにするでしょう。動物は、人間のように 2 つの遺伝子コピーだけでなく、4 つの遺伝子コピーを持っていることがよくありました。科学者たちは、ブデロイドの進化の歴史のある時点で、ゲノム全体が複製され、生き物に余分な染色体セットが残っているのではないかと疑い始めました.
これらの染色体は何をしていたのですか?調査するために、研究者はゲノム全体を配列決定する必要がありました。 2009年、ベルギーのナミュール大学の生物学者であるマーク・ウェルチとカリーヌ・ヴァン・ドニンクを含むチームは、研究を行うための助成金を受け取りました。彼らが見つけたものは、予想以上に興味深いものでした.
バデロイドゲノムは、バデロイド遺伝子以上のもので構成されています。それは外来DNAのフランケンシュタインのコラージュです。ブデロイドのゲノムのほぼ 10% は、完全に動物界の外から来ており、菌類、植物、バクテリアがすべて寄与しています。この割合は、他の動物よりもはるかに高いです。この点で、バクテリアはバクテリアによく似ており、バクテリアは、遺伝子の水平伝達として知られているプロセスである外来 DNA をゲノムに組み込むことがよくあります。
さらに、bdelloid 染色体はごちゃまぜです。それらの断片は、不一致のパズルのように動き回っています。 「高度に再編成された染色体は新しく、予想外でした」と、このプロジェクトには関与していないアイオワ大学の進化生物学者ジョン・ログスドンは述べた。 「それは非常に珍しいことです。」
自然は染色体をごちゃまぜにすることがありますが、有性生殖を行う生物の主要な再編成により、不運な個体は不妊になります。母性遺伝の染色体が A-B-C 構造の場合、A-C-B の順序で父性遺伝した染色体と対になることはできません。 (ラバなどの一部のハイブリッド種は、同様の理由で不妊です。馬の母親とロバの父親の染色体は一致しません。)
完全なゲノム配列は、バデロイドワムシが無性であるというこれまでで最も直接的な証拠を提供しました。このような不一致の染色体セットを持つ生物は、おそらく伝統的な減数分裂を経ることができませんでした. 「何百万年もの間、ゲノムは非常に多くの再編成を経てきたので、染色体がペアになることはもはや不可能です」と Mark Welch は言いました。
これらの 2 つの顕著な特性 - 大量の外来 DNA をゲノムに組み込むことと、自身の DNA を再編成すること - は、無性動物を悩ませている遺伝的多様性の問題をブデロイドが克服するのに役立つ可能性があります。アリゾナ大学の進化遺伝学者であるビル・バーキー氏は、配列決定プロジェクトには関与していないが、「無性生物が性交しないことのいくつかの不利な点を明らかに克服できる方法はかなりある」と述べた。 Bdelloids の外来 DNA を取り込む能力は、例えば、毒素を分解することを可能にする新しい力を潜在的に与える可能性があります。自分自身の染色体の一部をコピーして置き換えることで、有益な突然変異の効果を高め、有害な突然変異を除去し、Muller のラチェットに逆らうことがあります。
実際、バクテリアは細菌と同様の進化戦略を採用しているようであり、これは非常に成功したクラスの生物であり、従来の性も欠いています。 「性の進化上の重要性に取り組んでいる研究者は、バクテリアが何百万年もの間性なしで非常にうまくやっているという事実を見落とす傾向がありました。
さらに、ブデロイドの染色体の余分なペアは、追加の遺伝的多様性を生み出す可能性があります。染色体の冗長ペアは、自由に進化して新しい機能を担う遺伝物質の新しい貯蔵庫を提供します。これは、ブデロイドが将来変化する環境に対処するのに役立つ可能性があります.
しかし、誰もがブデロイドが完全に無性であると確信しているわけではありません. 「私にとって、アセクシュアリティを示すという点で、証拠は完全に完全なものではありません」とログスドンは言いました。 「ゲノムには奇妙なことがたくさんありますが、それらは推定上の無性と直接関係があるのでしょうか、それとも他のことの結果でしょうか?」ブデロイドの変形した染色体が減数分裂のためにどのようにペアになるかを想像するのは難しいですが、「染色体がペアになって分離する非常に珍しい、またはまれなプロセス」を持つ可能性があるとログスドンは言いました。
新しい種類のセックス
これまでのところ、バデロイドのゲノムからのデータは、これらの生物が無性の手段によって多くの遺伝的多様性を生み出すことによって生き残ってきたことを示唆しています。しかし、研究者はそれを証明できませんでした。また、この変化が性別を模倣するのに十分であることも示していません。 「私たちが理論生物学者に問い続けている質問に戻ります。どのくらいのセックスで十分ですか?」マーク・ウェルチは言いました。言い換えれば、有性生殖の利点を模倣するために、生物はどの程度の遺伝子スクランブリングを行う必要があるのでしょうか?その質問に答えるために、科学者は多数のブデロイド間の遺伝的多様性を測定し、それを有性生殖集団と比較する必要があります.
科学者たちは、セックスがなぜそれほど重要なのかについて、さまざまな理論を区別するのに十分なデータをまだ持っていません。 「理論生物学者を怒らせることの 1 つは、多くの [理論] が真実かもしれないと示唆することです」と Mark Welch 氏は述べています。 「しかし、多くの理論が正しくないという特定の生物学的理由はありません。」
おそらく、より興味深い問題は、他の多くの無性の種が失敗したときに、バデロイドがどのように成功したかということです. Van Doninck は現在、干ばつを乗り切る驚くべき能力が彼らの長期的な無性生活の鍵であるかどうかを調査しています.ブデロイドが乾燥すると、そのゲノムは断片に砕け散り、動物は再び水分を補給すると再びつなぎ合わせることができます。この驚くべき DNA 修復機能により、ブデロイドは染色体をスクランブルし、環境中に浮遊する外来 DNA を取り込み、再構成する際にこれらの断片をゲノムに固定することができる可能性があります。その結果、セックスのない過剰な遺伝子組み換えが行われます。研究者は、ブデロイドを一連の放射線と乾燥にさらし、ゲノムがどのように再編成されるかを分析することで、この考えをテストしています。
初期の証拠は、ブデロイドが同種の他のメンバーからの DNA を同化できることを示唆しています。それは伝統的なセックスに似ているため、特に重要です。 「彼らが互いに遺伝子交換を行う場合、彼らはある種の性を持っています」とヴァン・ドニンクは言いました.そのプロセスには、現在定義されている有性生殖の必須要素である減数分裂は必要ありません。しかし、Van Doninck の見解では、定義を広げる時が来たのかもしれません。おそらく、性別は、同じ種のメンバー間の遺伝的交換として単純に定義できます。 Bdelloids はルールを変更する例外かもしれません.
